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永磁同步风力发电机直接转矩控制方法的研究.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.78M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    文摘
    英文文摘
    第一章 绪论
    第二章 永磁同步风力发电系统
    第三章 永磁同步发电机直接转矩控制技术研究
    第四章 永磁同步风力发电系统的建模及其仿真
    第五章 结论与展望
    参考文献
    致谢
    攻读硕士学位期间论文发表情况
    上海交通大学学位论文原创性声明及版权使用授权书
    上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT 永磁同步风力发电机直接转矩控制方法的研究 摘 要 作为一种绿色可再生能源风力发电已成为新兴的发电方式在大功率特别是MW级风力发电系统中永磁同步风力发电系统相对传统的双馈电机风电系统无须励磁且省去传动齿轮箱从而具有低速性能好维护控制简单发电效率高系统可靠性好等优势 直接转矩控制技术是一种电机调速控制方法它采用空间矢量的分析方法以定子坐标系为参考坐标系直接计算和控制交流电机的转矩它通过定子磁场定向对转矩和磁链进行离散的两点式调节Band-Band控制在此基础上直接对逆变器的开关状态进行最佳控制以获得转矩的高动态性能本文将其应用于永磁同步风力发电系统中以解决功率输出不稳定电流波形脉动较大等问题 本文分别对风力机永磁同步发电机及直接转矩控制系统进行了数学分析并建立准确的数学模型在详细分析了永磁同步风力发电系统直接转矩控制的机理后通过MATLAB/Simulink仿真工具搭建上述系统的仿真模型实现了无速度传感器的直接转矩控制并给出仿真结果通过对仿真结果的分析可以从理论上验证直接转矩控制策略在永磁同步风力发电系统中的可行性和独特优势 关键词:风力发电 永磁同步发电机 直接转矩控制 MATLAB/Simulink
    上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT STUDY OF DIRECT TORQUE CONTROL OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR FOR WIND POWER ABSTRACT As a kind of green and renewable energy, the wind power generation has played a more and more important role in the field of electric power. Especially for the high power used in the Mega-watt wind turbine generation system, the Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) has many advantages, such as excellent low-speed performance, high generation efficiency, simple maintenance and control, more reliability and needn’t excitation and gearbox comparing with traditional doubly-fed wind power generation. The Direct Torque Control (DTC) based on space voltage vector is a high-efficient control method, in which machine's torque can be directly calculated and Band-Band controlled in the stator coordinate reference frame. According to the stator magnetic field oriented, high-dynamic performance of the torque is achieved by designing the optimum sequence of inverter switching state. In this paper, the strategy of DTC is applied in the PMSG wind power generation system and some problems existing in the traditional control methods, such as the unstable output power and high ripple of the current wave, are solved. Widely reading and comprehensively understanding of the present situation and development tendency of wind power generation system, this paper focuses on DTC control strategies applied on PMSG. First the accurate mathematical model of the wind turbine is established. After the analysis of PMSG wind power generation system and applying DTC control technology, the non-speed sensor direct torque control system is realized in MATLAB/Simulink. The proposed method is feasible, confirmed by simulation results KEY WORDS: Wind Power Generation Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) Direct Torque Control (DTC) MATLAB/Simulink
    第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 风力发电概述 太阳辐射引起地球表面受热不均匀因而大气层的压力分布不均使空气产生运动环绕地球大气层流动的空气我们称为风风具有的能量也就是风所具有的动能我们称之为风能风能是一种干净清洁无污染的绿色能源本质上它是太阳能的一种转化因此相对煤石油天然气等传统矿物燃料化石能源它是可再生的自然能源取之不尽用之不竭同时它在利用过程中不会排放有害气体不会带来温室效应酸雨等现象在能源日趋紧张环境日益恶化的今天风能的开发具有重要的意义风能的理论储量特别大但实际可利用开发的风能仅占总储量的1%其中风力发电是风能的最重要的利用形式[1-2] 相对其它型式的能源风能具有以下优势和特点[2] [4] 1风电是一种绿色的清洁能源不会污染环境 2风电是一种可再生能源 3风电的发电成本为零运营成本也很低 4风电相对火电厂占地少而且带来旅游资源 5风电的建设周期短 6风电的管理工作单一维护工作量小 7随着近几年风力发电的飞速发展其建设成本越来越接近火电厂的建设成本 丹麦是世界上最早进行风力发电研究的国家19世纪末它就开始研制风力发电机随后美国苏联也相继开始各种风力发电机的研制和开发二战后风力发电的理论逐渐系统化此时丹麦已生产出单机功率200kW的风力发电机组20世纪六十年代由于石油价格低廉风力发电因其发电成本高而陷入困境1973年以后由于石油危机的冲击以及使用煤石油发电带来的环境污染问题风力发电又重新
    第一章 绪 论 - 2 - 受到重视德国美国丹麦西班牙瑞典等国对风力发电的研究与应用投入大量人力物力财力制定了详尽的开发规划并给予相当的优惠税收政策[1-2] [5-6]此后风力发电相关的科研工作者充分利用空气动力学新材料新型电机电力电子技术计算机自动控制及通信技术等领域的新成果发展了各种风轮机和叶片设计理论采用了新型叶片材料及翼型并研制出变极变滑差变速恒频及低速永磁同步等新型发电机取得了丰硕的研究成果风力发电的相关控制系统的理论和实践也随之发展日趋成熟 我国蕴藏着丰富的风能资源据评估结果全国陆地风能资源理论储量为32.26亿kW实际可开发利用的风能达2.53亿kW经济开发容量1.65亿kW均居世界首位我国的风能资源主要分布在三北东北西北华北北部和东南沿海地区东南沿海地区的由于经济发达供电负荷高而电力缺口大三北地区是我国的经济落后地区地广人稀供电成本高尤其是新疆内蒙的牧民其移动性强传统意义的供电较为困难因此在这些能源短缺的地区发展风力发电项目可以改善能源结构保护生态环境带动区域经济的发展[2] 我国初期开发风能是在20世纪70年代主要目的是解决边远地区农牧渔民用电困难的问题通过试验示范推广等措施在当地政府的引导和政策支持下大力发展小容量离网型的风力发电机组20世纪80年代开始开始研制并网型大容量的风力发电机组通过引进国外成熟技术经过消化和改良逐步实现国产化降低制造成本发展我国的相关机电产品的制造和工艺水平随后国家计委国家科委国家经贸委电力部航天部机械部水利部等三委四部联合出台了优惠政策和行业标准支持风力发电的发展其中乘风计划就是其中最详尽具体的发展规划之一这些有效的措施使得我国薄弱的风电产业得到了飞速发展在863项目的支持下国家重点扶持的新疆金风公司成功开发出600kW风力发电机组国内制造的主要部件包括桨叶发电机齿轮箱机舱主轴塔架偏航系统液压系统等国产化率已高达95%为我国大型风力发电机组国产化奠定了基础根据我国的风力资源以及我国风电发展的现状国家计委国家科委和国家经贸委规划到2010年并网风电机组的容量将达到3000MW[1]
    第一章 绪 论 - 3 - 尽管近几年我国风电装机容量的年增长速度一直保持在50%左右但风电系统中各部件的设计装备制造水平制造工艺流程单机装机容量相关控制技术等与欧美一些发达国家相比仍存在较大差距 国外并网型的风电机组大部分己达MW级美国风电市场的主流机型单机容量为1.5MW丹麦为2.03.0MW德国为3.0MW法国阿尔斯通公司制造的海上风电场的单机容量已达5.0MW而国内目前生产的最大风电机组是750kW运行成熟的风电场大多采用的还是新疆金风公司的600kW机组其1.2MW的风电机组仍在研发阶段尚无成熟成套产品推出[1-2] 风力发电系统的国产化产业化进程正积极推进近日国家发展和改革委员会发布公告中国决定在2005年到2007年间实施可再生能源和新能源高技术产业化专项重点包括五大领域其中风力发电主要开展1.5 MW变速恒频风电机组和1.2 MW直接驱动式永磁同步风电机组的产业化工作 世界风电市场发展迅猛风电技术日新月异我国政府已经制定了许多鼓励发展风电的政策这些政策已逐步落到实处目前我国风力发电装机容量仅占全国电力装机的0.18%风力发电潜力巨大良好的发展环境和巨大的发展空间为风力发电在我国的飞速前进勾勒出美好的前景 1.2 风力发电主要类型及其技术特点 风力发电系统是一个复杂的系统它涵盖了空气动力学现代控制理论电力电子技术计算机控制技术等多种学科的内容其主要部件有叶片增速箱发电机调向机构制动机构控制单元塔架以及风速风向转速传感器等注永磁同步发电机风电系统中没有齿轮箱及其附属设备风轮机将风能转换为机械能通过齿轮箱和传动轴的传递由发电机将机械能转换为电能其主要组成结构如图11所示[3] [7-9]
    第一章 绪 论 - 4 - 图11风电系统主要部件结构示意图 Fig.1-1 Major component structure of wind power 根据空间旋转的位置划分风力发电机组中的风轮机为水平轴风机和立轴风机目前的风电系统大多采用水平轴风机根据风电系统的运行方式划分风力发电分为离网型和并网型目前大中型的风电系统多为并网型根据风电系统的功率的控制划分并网型风力发电机组分为定桨距失速控制和变桨距变速控制下面分别就定桨距和变桨距这两种不同的系统进行分析比较 定桨距失速风力发电机利用风轮叶片翼型气动失速特性来限制叶片吸收过大的风能定桨距风力发电机组的叶片和轮觳的连接是固定的桨叶的迎风角不能随之改变因此但风速超过额定风速时桨叶必须把功率限制在额定值附近也即自动失速同时机组在突然失去电网突甩负荷时桨叶具备制动能力使机组安全停机这些要求需要通过装在桨叶上的叶尖扰流器来实现 定桨距风电系统的发电机一般采用双速电机在风速较低时启动小功率发电机当风速稳定增加到一定值后小电机退出大电机投入反之则将大电机退出投入小电机如此来回切换这样在低风速区域小电机运行叶轮的尖速比对应更高的效率因而机组的运行范围扩大发电量提高发电效率增加
    第一章 绪 论 - 5 - 变桨距风力发电机通过桨距角调节器使风轮机叶片安装角随风速变化而变化以达到风能捕获最优的目的在额定风速以下时风对桨叶的攻角处于零度左右此时叶片攻角受控制环节精度的影响变化范围很小可等同于定桨距风机在额定风速以上时变桨距机构发挥作用调整叶片攻角保证发动机的输出功率在允许范围以内相对定桨距风力机变桨距风力机的起动风速较低停机时对传动机械的冲击应力小风机在正常工作的情况下主要对功率进行控制功率调节速度主要取决于风机桨距调节系统的灵敏度由于功率与风速的三次方成正比每当风速发生较小变化时都会给风力机输出功率产生较大范围的影响由于风速不断的在变化风机输出功率也处于不断变化中桨距调节机构频繁动作风机桨距调节机构对风速的反应有一定的时延当阵风出现时桨距调节机构的响应速度往往来跟不上风速的变化速度而造成风机瞬时过载对风机的稳定运行产生不利影响 二者相比定桨距失速控制风力机整机部件少结构简单造价低具有较高的安全系数发电成本相对较低具有一定的竞争优势但失速型风机的叶片结构复杂成型工艺难度也较大如果功率增大必须使叶片加长叶片所承受的气动推力增大其失速动态特性不易控制因此机组的容量很受限制而变桨距型风力机能使叶片的安装角随风速变化而变化使风力机在各种工况下起动正常运转或停机等按最佳参数运行它可以使发电机在额定风速以下的工作区具有最优的发电效率在额定风速以上高风速区功率保持恒定不变不会超载发电机在设计中其超载能力适当减小可减少发电机的制造成本其缺点是它必须有一套比较复杂的变距调节结构来调节桨距角定桨距风力发电机与变桨距风力发电机的功率特性比较详见下图1-2现在这两种功率调节方案在技术上都比过去的有很大改进都被大中型风力发电机组广泛采用但在MW级大容量的风力发电系统中变桨距因其良好的控制性能和较高的发电效率越来越受到设备制造厂商和运营商的青睐成为市场主流[10]
    第一章 绪 论 - 6 - 风速m/s3691215182124271.21.00.80.60.40.2功率MW变桨距风力发电机定桨距风力发电机 .图12定桨距与变桨距风力发电机的功率特性比较示意图 Fig.1-2Power characteristic of comparison of constant-pitch with variable-pitch wind power generator 变桨距变速控制系统中根据频率控制类型的不同可分为变速恒频variable speed constant frequency 通常简写为VSCF风电系统和变速变频风电系统为满足上网要求当今主流的大功率风电系统多采用变速恒频风电系统其发电机采用的型式有四种鼠笼式异步发电机交流励磁双馈型绕线式异步发电机无刷双馈型同步发电机永磁同步发电机本课题研究对象为MW级永磁同步发电机变速恒频风电系统 1.3 直接转矩控制简介 直接转矩控制技术是指用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩采用定子磁场定向借助于离散的两点式调节Band-Band控制直接对逆变器的开关状态进行最佳控制以获得转矩的高动态性能它具有以下特点[13]
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